一种空芯静电纺丝喷头的使用方法与流程

本发明涉及一种静电纺丝喷头的使用方法，从使用上讲，是一种基于静电纺丝法得到空心或多孔复合纤维用的空芯静电纺丝喷头的使用方法。

背景技术：

同轴静电纺丝法是在静电纺丝的基础上改进装置发展而来的一种工艺，可用来制备特殊功能结构的纤维材料，它的出现弥补了普通静电纺丝法在制备非常规结构纤维时所存在的缺陷。普通静电纺丝装置为单通道针头，而同轴静电纺丝装置为含有内外两个同轴的复合针头，复合针头的两个管道分别与注射器相连，注射器由注射泵控制，从而获得恒定注射量，内外针管溶液分别装入不同的注射器内，在注射泵的推动下内外针管溶液通过不同管道流经同轴针头，在针头处汇合形成核-芯结构的泰勒锥。在高压电场力和表面张力的共同作用下，芯层溶液与核层溶液发生相互作用，产生“粘拽”和“接触摩擦”，从而使核层溶液获得一定拉伸，最终形成具有层状结构的复合纳米纤维。

但是，由于同轴静电纺丝的喷头，以及操作工艺及其严格，不容易控制生成双层或复合的纤维，特别是内针头管道伸出外针头管道的距离是影响同轴喷射流形成的关键性因素：距离太小时，内针管道溶液容易被外层管道的溶液堵住，内针头溶液没办法顺利流出，此时在电场力作用下内层溶液得不到拉伸，仅有外层溶液形成射流。距离太大时，溶液沿内针管壁的外表面流出，无法将内针头伸出部分完全包覆，进而导致许多溶液从针头四周射出，无法得到稳定的同轴喷射流。

因此，解决上述问题，需要设计一种精准、易操作的同轴静电纺丝喷头，能够制备核-芯结构、中空结构及多级结构的纤维材料提供技术的支撑，进而拓宽纳米纤维的应用领域。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明的技术方案为：一种空芯静电纺丝喷头的使用方法，由内针管和外针管和空心管组成。内径ϕ a的内针管的内部同轴安装有外径是ϕb的空心管，在内针管的呈H₄高尖锥形的内针管头，空心管的空心管开口边与内针管头壁密闭焊接；在距离内针管头底边H₃尺寸的地方，加工有一个反相均液环，在距离反相均液环H₂尺寸的地方，加工有一个中间均液环，在距离中间均液环H₁尺寸的地方，加工有一个上均液环。均液环的设计在于将上述出口的溶液很好地均匀涂覆在内针管圆周壁上，避免出现线流而导致各种溶液混合不均匀。在距离上均液环上方h尺寸的地方，加工有垂直内针管轴向，横向贯通内针管内径的2个对称的针口一；在距离上均液环下方h尺寸的地方，加工有垂直内针管轴向，横向贯通内针管内径的，方向与针口一十字排布的2个的针口二。相互十字对称排布的贯通口设计，避免溶液在一个方向上堆积，易于溶液铺展。内针管的横向贯通口的设计，改变了原同轴喷头内外针管开口都一致，容易导致各个组分来不及相互混匀或内外包覆不好的问题。设计在于避免了原同轴静电纺丝喷头的内外喷头针管，在纺丝过程中，由于内外针头管间距、长度等参数设置不好，而造成的其内针管与外针管不同组分溶液的混合不均的难题。从针口一上部平齐线开始的内针管表面，一直到内针管头底边的表面，均加工有与内针管溶液相浸润的内针管处理表面；上均液环和中间均液环的表面，都加工有与内针管里流动的溶液相浸润的处理表面，并具有向下引流作用的微纳米结构。设计有利于内针管的液体环形均匀后向下引流。反相均液环的表面，加工有与外针管）里流动的溶液相浸润的、与内针管里流动的溶液不相浸润的反相处理表面，并只具有溶液涂覆的微纳米表面结构，没有向下引流的结构。内针管头的表面加工有内针管头处理表面，内针管头处理表面与外针管里流动的溶液相浸润的、与内针管里流动的溶液不相浸润的反相处理表面，并且具有溶液涂覆横向环状引流作用的微纳米表面结构。这一设计阻滞减缓和均匀流体的流动力，使纤维拉伸时全靠电场力。这是本发明其中一个创新点，目的在于将内针管流出的溶液快速地铺满内针管表面，为外针管的另外一种溶液下一步均匀包覆内针管流出的溶液，或均匀混合内针管出口流出的溶液做准备。同时，在反相均液环处，因外针管溶液容易涂覆，所以能够更好地被外针管的溶液包覆或混合。所述空心管是在内针管加工好针口一和针口二后，才安装，外针管是同轴套在内针管之外。

其特征在于，操作步骤如下：

第一步，根据实验所用溶液的性质，用溶剂或去离子水清洗内针管和外针管和空心管的外表面；再开通各管路的供液系统，用溶剂或去离子水清洗内针管和外针管的内通道0.5h，通氮气至空心管0.5h，烘干内针管和外针管待用。

第二步，安装好内针管和外针管的供液，先打开内针管的供液系统，待内针管的内针管头有溶液滴落，打开空心管的氮气阀门，调节流速，使内针管头滴落的溶液保持不被吹散。保持风速，让溶液匀速滴落5min-10min，再开外针管的供液系统，待外针管的溶液包覆内针管的溶液，并在内针管头有溶液滴落，保持溶液匀速滴落5min-10min。或者，先开外针管的供液系统，待外针管的溶液在内针管头有溶液滴落，打开空心管的氮气阀门，调节流速，使内针管头滴落的溶液保持不被吹散；保持风速，让溶液匀速滴落5min-10min，再开内针管的供液系统，待内针管的溶液被包覆在外针管的溶液，并在内针管头有溶液滴落，调节空心管的氮气阀门，调节流速，保持混合溶液匀速滴落5min-10min。

第三步，设定接收距离为15cm~30cm，以电压10kv~30kv，外针管流速5 mL/h ~20mL/h，内针管流速0.5mL/h~5mL/h，开始通电纺丝。

第四步，纺丝结束后，重复步骤一，清洗内针管、外针管和空心管，烘干待用。

上述技术方案中，所使用的喷头的针口一的开口直径ϕ_上与针口二的开口直径ϕ_下，之间尺寸关系是ϕ_上= 1.5ϕ_下 。设计目的是为了保证内针管的针口一与针口二的溶液，在计算的合理管径和流速下，上下两层出口的溶液，能够迅速汇合，均匀铺展在内针管表面。所述针口一的下边到上均液环的距离h=3ϕ_上，针口二的上下边到上均液环和中间均液环的距离h=3 ϕ_上；所述反相均液环、中间均液环和上均液环的厚度h₁一致，h₁= ϕ_上。设计目的同样是为了保证内针管的针口一与针口二的溶液，能够均匀铺展在内针管表面，同时与被辅助管流出的溶液均匀包覆；或者，与辅助管流出的溶液均匀混合做准备。

上述技术方案中，所使用的喷头的中间均液环与反相均液环之间的距离H₂ ≥2（ϕ_上+ ϕ_下），反相均液环到内针管头底边的距离H₃ =2（H₁+ H₂），内针管头的高H₄ =3 ϕ_上。距离限定了实验最优参数的选择，目的是保证外针管流出的溶液和内针管流出的另外一种溶液，有足够的流程混合或包覆。在高压静电拉伸时，保证已经是一体的。

上述技术方案中，所使用的喷头的外针管的内径半径与内针管的外壁半径之差L₀ ≥5ϕ_上；反相均液环半径与内针管的外壁半径之差L₃ =0.5 ϕ_上~ 4ϕ_上；中间均液环外沿半径与内针管的外壁半径之差L₂ = 0.5 ϕ_下~ 2ϕ_下；上均液环外沿半径与内针管的外壁半径之差L₁ =0.5 ϕ_上~ 2ϕ_上；所述内针管伸出外针管的平口端的距离h₀ = 2L₀ ~5L₀。此设计，使得外针管和内针管的溶液能够均匀混合，在相同参数设置下其流速与内针管的溶液的流速基本相同，简化了操作的参数设定，统一设置参数即可。内针管的内径ϕ a与空心管外径ϕ b的数量关系是ϕ a≥3ϕ b，保证内针管的液体运输能力。

上述技术条件设计，是本发明能够依据不同的实验，制备不同的复合静电纺丝纤维。如果，外针管的溶液和内针管的溶液均是一样的亲水或疏水，能够使用本发明。两者溶液挥发速率相似，能够容易形成混合复合纤维，如两者溶液挥发速率有差别，能够容易形成核-壳层状结构的复合纤维。如果外针管的溶液是亲水，另一个内针管的溶液是疏水，本发明也能够用。或者，内针管的溶液是亲水，外针管的溶液是疏水，本发明也能够用。也能够容易形成核-壳层状结构的复合纤维。

本发明设计的同轴静电纺丝喷头与现有的常规同轴静电纺丝相比，本发明有下列有益效果。

（1）因为在高压静电纺丝前几种原料溶液已经混合为一体，在操作参数的设定过程中，能够依照单针管喷头进行操作，只需在本发明喷头的封闭尖头处形成复合泰勒锥，继而从泰勒锥体拉伸出由壳层包覆核层的同轴壳-芯复合结构的纤维。操作工艺简单。

（2）同时，能够实现两种以上不同组分的溶液的混合静电纺丝，为加工核-壳结构、中空结构、多孔结构的功能化纤维材料提供很大的便利。

（3）本发明能够广泛应用于药物缓释、组织工程以及药物载体等领域。

附图说明

图1为本发明的内针管结构主视示意图。

图2为本发明的内针管结构尺寸标注示意图。

图3为本发明的装配结构主视示意图。

图4为本发明的装配结构仰视示意图。

其中：1.内针管头；2.内针管；3.反相均液环；4.中间均液环；5.上均液环；6.针口一；7.空心管；8.内针管处理表面；9.针口二；10. 内针管头处理表面；11.空心管开口；12.外针管。

具体实施方式

下面结合附图1至附图4，以及具体实施例进一步对本发明加以说明。

具体实施例一

本发明的一种空芯静电纺丝喷头的使用方法，由内针管2和外针管12和空心管7组成。从针口一6上部平齐线开始的内针管2表面，一直到内针管头1底边的表面，均加工有亲水、疏油的内针管处理表面8；上均液环5和中间均液环4的表面，都加工有亲水、疏油的处理表面，并具有向下引流作用的微纳米结构。反相均液环3的表面，加工有亲油、疏水的反相处理表面，并只具有溶液涂覆的微纳米表面结构，没有向下引流的结构。内针管头1的表面加工有内针管头处理表面10，内针管头处理表面10与外针管12里流动的溶液相浸润的、与内针管2里流动的溶液不相浸润的反相处理表面，并且具有溶液涂覆横向环状引流作用的微纳米表面结构。

内针管2内径ϕ a = 3mm，空心管7外径ϕ a =1mm，空心管7内径ϕ =0.45mm。针口一6的开口直径ϕ_上=0.90mm，针口二9的开口直径ϕ_下= 0.6mm。针口一6的下边到上均液环5的距离h=2.7mm，针口二9的上下边到上均液环5和中间均液环4的距离h=2.7mm。反相均液环3、中间均液环4和上均液环5的厚度h₁一致，h₁=0.9mm。

上均液环5与中间均液环4之间的距离H₁ =6mm，中间均液环4与反相均液环3之间的距离H₂=6mm，反相均液环3到内针管头1底边的距离H₃ =24mm，内针管头11的高H₄ =2.7mm。

外针管12的内径半径与内针管2的外壁半径只差L₀ =0.90mm；反相均液环3半径与内针管2的外壁半径之差L₃ =0.90mm；中间均液环4外沿半径与内针管2的外壁半径之差L₂ =0.45mm；上均液环5外沿半径与内针管2的外壁半径之差L₁ =0.45mm；内针管2伸出外针管12的平口端的距离h₀ = 2.7mm。

第一步，用去离子水清洗内针管2表面，用三氯甲烷清洗外针管12外表面各6次。再开通各管路的供液系统，用去离子水清洗内针管2的内通道0.5h，用三氯甲烷清洗外针管12的内通道0.5h，通氮气至空心管7 0.5h，烘干内针管2和外针管12待用。

第二步，将聚乳酸-羟基乙酸共聚物PLGA溶于三氯甲烷与N，N-二甲基酰胺，配制成15%（w/v）溶液装入外针管12的供液系统中。将聚乙烯亚胺PEI配制成30%（w/v）水溶液，装入内针管2的供液系统中。先开通内管1的供液系统，待内针管2的内针管头1有溶液滴落，打开空心管7的氮气阀门，调节流速，使内针管头1滴落的溶液保持不被吹散；保持风速，让溶液匀速滴落10min，再开外针管12的供液系统，待外针管12的溶液包覆内针管2的溶液，并在内针管头1有溶液滴落，保持溶液匀速滴落10min。

第三步，设定接收距离为15cm，以电压30kv，外针管12流速5mL/h，内针管2流速0.5mL/h，开始通电纺丝。得到中空的复合包芯静电纺丝纤维。

第四步，纺丝结束后，重复步骤一，清洗内针管2和外针管12和空心管7，烘干待用。

具体实施例二

本发明的一种空芯静电纺丝喷头的使用方法，由内针管2和外针管12和空心管7组成。从针口一6上部平齐线开始的内针管2表面，一直到内针管头1底边的表面，均加工有亲油、疏水的内针管处理表面8；上均液环5和中间均液环4的表面，都加工有亲油、疏水的处理表面，并具有向下引流作用的微纳米结构。反相均液环3的表面，加工有亲水、疏油的反相处理表面，并只具有溶液涂覆的微纳米表面结构，没有向下引流的结构。内针管头1的表面加工有内针管头处理表面10，内针管头处理表面10与外针管12里流动的溶液相浸润的、与内针管2里流动的溶液不相浸润的反相处理表面，并且具有溶液涂覆横向环状引流作用的微纳米表面结构。

内针管2内径ϕ a =6mm，空心管7外径ϕ a =2mm，空心管7内径ϕ =0.75mm。针口一6的开口直径ϕ_上=1.5mm，针口二9的开口直径ϕ_下= 1mm。针口一6的下边到上均液环5的距离h=4.5mm，针口二9的上下边到上均液环5和中间均液环4的距离h=4.5mm。反相均液环3、中间均液环4和上均液环5的厚度h₁一致，h₁=1.5mm。

上均液环5与中间均液环4之间的距离H₁ =10mm，中间均液环4与反相均液环3之间的距离H₂=5mm，反相均液环3到内针管头1底边的距离H₃ =30mm，内针管头1的高H₄ =4.5mm。

外针管12的内径半径与内针管2的外壁半径之差L₀ =1.5mm；反相均液环3半径与内针管2的外壁半径之差L₃ =1.0mm；中间均液环4外沿半径与内针管2的外壁半径之差L₂ = 0.75 mm；上均液环5外沿半径与内针管2的外壁半径之差L₁ =1.0mm；内针管2伸出外针管12的平口端的距离h₀ =7.5mm。

第一步，用去离子水清洗外针管12表面，用三氯甲烷清洗内针管2外表面各6次。再开通各管路的供液系统，用去离子水清洗外针管12的内通道0.5h，用三氯甲烷清洗内针管2的内通道0.5h，通氮气至空心管7 0.5h，烘干内针管2和外针管12待用。

第二步，将聚乳酸-羟基乙酸共聚物PLGA溶于三氯甲烷与N，N-二甲基酰胺配制成15%（w/v）溶液装入内针管2的供液系统中。将聚乙烯亚胺PEI配制成30%（w/v）水溶液，装入外针管12的供液系统中。先开外针管12的供液系统，待外针管12的溶液在内针管头1有溶液滴落，打开空心管7的氮气阀门，调节流速，使内针管头1滴落的溶液保持不被吹散；保持风速，让溶液匀速滴落10min，再开内针管2的供液系统，待内针管2的溶液被外针管12的溶液包覆，并在内针管头1有溶液滴落，调节空心管7的氮气阀门，调节流速，保持混合溶液匀速滴落10min。

第三步，设定接收距离为20cm，以电压25kv，外针管12流速8mL/h，内管2流速0.8mL/h，开始通电纺丝。得到中空多孔的复合包芯静电纺丝纤维。

第四步，纺丝结束后，重复步骤一，清洗内针管2和外针管12和空心管7，烘干待用。